직선운동 볼가이드의 정적-동적-열적 특성 해석

Abstract

직선운동 (linear motion, LM) 볼가이드는 움직이는 캐리지와 고정 레일 사이의 그루브 궤도면에 순환하는 볼이 삽입되어 있어 낮은 마찰 특성과 높은 정밀도를 갖는 정밀 직선운동 요소이다. 이러한 특성 때문에 LM볼가이드는 다양한 정밀기계 산업 분야에 널리 사용된다. 최근 정밀기계 산업의 급속한 발전과 더불어 고속 및 고정밀 가공 기술이 크게 요구됨에 따라 볼가이드로 구성된 직선 이송시스템의 높은 성능이 요구된다. 고정밀도의 부품을 생산하기 위해서는 기계장비의 성능을 미리 평가하여 그 결과를 설계에 반영시킬 필요가 있다. 따라서 기계장비의 성능 평가와 이에 상응하는 강건한 정밀기계의 개발과 설계를 위해서는 LM볼가이드의 정확한 정적-동적-열적 해석 모델이 필요하다. 본 연구에서는 각 구성요소들 사이의 역학적인 상호작용을 심도 있게 고려하면서 기계장비의 직선운동 정밀도 최적화 설계에 응용할 수 있는 LM볼가이드 정적-동적-열적 통합 해석 모델을 개발하였다. LM가이드의 통합 해석 모델을 정식화하기 위해서는 구성 요소에 대한 정확하고 신뢰성 있는 정적 모델의 수립이 선행되어야 한다. 이를 위해 본 논문에서는 Hertzian 접촉 이론에 기초하여 가이드의 형상정보, 물성치, 외부하중, 예압 및 레일의 부정렬 영향을 고려한 볼 부하분포 모델을 제안하였다. 또한, 정확한 접촉부하를 예측하기 위해 접촉각의 변화를 고려하였다. 이와 같은 해석 결과를 바탕으로 three-parameter Weibull 분포 모델과 연계하여 서비스 수명 예측 모델을 수립하였다. 그리고 온도분포 예측을 위해 유한차분해석 (finite difference analysis, FDA) 모델을 개발하였으며 일체집중법 (one-body lumped method)을 활용하여 대류열전달계수를 규명하였다. 열 경계조건으로 규명된 대류계수와 정식화된 마찰력 모델이 FDA 모델에 적용된다. 온도분포 해석 결과로부터 온도 상승으로 인한 LM가이드의 강성 변화는 열강성 예측 모델과 알고리즘을 통해 추정하였다.